Exploring the role of mitochondrial dynamics in stressful interventions and high anxiety

Abstract

Anxiety disorders affect a third of the world population and are highly comorbid with diverse chronic pathologies. Our modern, fast-paced lifestyle is stressful and shapes our dietary habits further contributing to the rise of anxiety and eating disorders rates. In turn, disordered dietary habits and stress exposure may enhance anxiety-like symptomatology. Emerging clinical and preclinical data show that mitochondria regulate anxiety and eating behaviors as well as stress responses. However, how brain mitochondria shape the molecular responses to stressful and dietary interventions in a high anxiety background is largely unknown. Here, we aimed to decipher how lifestyle interventions, such as acute psychological stress exposure and temporal food restriction modulate brain mitochondria using a mouse model of high anxiety-related behavior (HAB). HAB mice were exposed to an acute restraint stress (ARS) paradigm or to a limited food access (LFA) protocol and their anxiety- and depression-like phenotypes were assessed using an extensive behavioral test battery. At the molecular level, we thoroughly characterized molecular profile alterations upon ARS or LFA in relevant brain regions implementing -omics technologies and biochemical techniques. ARS exposure in HAB male mice increased anxiety/obsessive compulsive disorder (OCD)-like behavior and plasma corticosterone levels compared to control HAB mice. Proteomics analysis in the hippocampus highlighted that pre-stress, trait anxiety levels shape hippocampal molecular stress responses by predominantly affecting the expression of proteins involved in mitochondrial translation. In the prefrontal cortex, ARS significantly impacted mitochondria, as evidenced by increased mitochondrial DNA copy number (mtDNAcn) and changes in mitochondrial dynamics-related gene expression in ARS vs. control HAB mice. Integrated proteomics and metabolomics analyses in the prefrontal cortex corroborated these mitochondria-centered findings. To investigate whether the effects of ARS are corticosterone-dependent, we then blocked corticosterone synthesis using metyrapone. Intriguingly, ARS-elicited behavioral and mitochondrial alterations were blunted following metyrapone administration demonstrating that corticosterone drives stress-elicited behavioral and mitochondrial alterations in HAB mice. LFA exposure increased anxiety-like behavior only in HAB females but not in normal anxiety-like behavior (NAB) females or in HAB males indicating line- and sex-specific behavioral effects of temporal food restriction. LFA significantly affected the hypothalamic and prefrontal cortex proteomes but exerted only a mild effect on the hippocampal proteome in HAB females. Interestingly, behavioral and hypothalamic LFA-induced alterations were reversed toward the profile of the control HAB female group after HAB females previously exposed to LFA returned to ad libitum diet for a week. Taken together, this work shows that lifestyle interventions alter the behavior and reprogram mitochondrial pathways in the brain of highly anxious mouse populations and paves the way for identifying candidate biomarkers for new therapeutic targets in stress-prone, highly anxious populations.

Οι αγχώδεις διαταραχές επηρεάζουν το ένα τρίτο του παγκόσμιου πληθυσμού και σε μεγάλο βαθμό συνυπάρχουν με άλλες χρόνιες παθήσεις. Ο σύγχρονος, ταχύρυθμος τρόπος ζωής είναι στρεσογόνος και επηρεάζει τα διατροφικά μας πρότυπα συνεισφέροντας επιπλέον στην αύξηση των ποσοστών των αγχωδών και διατροφικών διαταραχών. Με την σειρά τους, οι διαταραγμένες διατροφικές συνήθειες και η έκθεση στο στρες μπορoύν να ενισχύσουν συμπεριφορές που σχετίζονται με το άγχος. Κλινικά και προκλινικά δεδομένα δείχνουν πως τα μιτοχόνδρια ρυθμίζουν το άγχος και τις διατροφικές συνήθειες όπως επίσης και τις αποκρίσεις στο στρες. Ωστόσο, πώς τα μιτοχόνδρια του εγκεφάλου διαμορφώνουν τις μοριακές αποκρίσεις σε στρεσογόνες και διατροφικές παρεμβάσεις σε ένα υπόβαθρο υψηλού άγχους παραμένει αδιερεύνητο σε μεγάλο βαθμό. Στην παρούσα εργασία στοχεύσαμε στο να διαλευκάνουμε πώς ο τρόπος ζωής, όπως η έκθεση σε οξύ ψυχολογικό στρες και ο χρονικός διατροφικός περιορισμός, επηρεάζουν τα μιτοχόνδρια του εγκεφάλου χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο ποντικού υψηλού άγχους (high anxiety-related behavior, HAB). Ποντίκια ΗΑΒ εκτέθηκαν σε ένα πρωτόκολλο οξέος στρες περιορισμού (acute restraint stress, ARS) ή σε περιορισμένη πρόσβαση σε φαγητό (limited food access, LFA) και η σχετική με το άγχος ή την κατάθλιψη συμπεριφορά αξιολογήθηκε ενδελεχώς μέσω συμπεριφορικών δοκιμασιών. Σε μοριακό επίπεδο, χαρακτηρίσαμε αναλυτικά τις αλλαγές στο μοριακό προφίλ μετά το ARS ή το LFA σε σχετικές εγκεφαλικές περιοχές εφαρμόζοντας τεχνολογίες -ομικής και βιοχημικές τεχνικές. Η έκθεση σε ARS αύξησε τη σχετική με άγχος/ιδεοψυχαναγκαστική διαταραχή (obsessive compulsive disorder, OCD) συμπεριφορά σε αρσενικά HAB ποντίκια. Η πρωτεομική ανάλυση στην περιοχή του ιπποκάμπου ανέδειξε ότι τα επίπεδα άγχους πριν από την έκθεση στο στρες καθορίζουν τις μοριακές αποκρίσεις του ιπποκάμπου στο στρες επηρεάζοντας τα επίπεδα πρωτεϊνών που εμπλέκονται στη μιτοχονδριακή μετάφραση. Στον προμετωπιαίο φλοιό, το ARS είχε σημαντικές επιπτώσεις στα μιτοχόνδρια όπως έγινε φανερό από αύξηση των αντιγράφων μιτοχονδριακού DNA (mtDNAcn) και αλλαγές στην έκφραση γονιδίων που ρυθμίζουν τη μιτοχονδριακή δυναμική μεταξύ ARS και control HAB ποντικιών. Η πρωτεομική και μεταβολομική ανάλυση στον προμετωπιαίο φλοιό επιβεβαίωσε τα μιτοχονδριακά μας ευρήματα. Προκειμένου να διερευνήσουμε εάν οι επιπτώσεις του ARS εξαρτώνται από την κορτικοστερόνη, αναστείλαμε την σύνθεση τη κορτικοστερόνης με την χρήση μετυραπόνης. Παρατηρήσαμε ότι οι συμπεριφορικές και μιτοχονδριακές αλλαγές που επάγει το ARS χάνονται μετά την χορήγηση της μετυραπόνης υποδηλώνοντας ότι η κορτικοστερόνη ευθύνεται για τις συμπεριφορικές και μιτοχονδριακές επιπτώσεις του στρες σε ΗΑΒ ποντίκια. Η έκθεση στο LFA ενίσχυσε συμπεριφορές που σχετίζονται με άγχος μονο σε θηλυκά ΗΑΒ ποντίκια αλλά όχι σε θηλυκά ποντίκια φυσιολογικού άγχους (normal anxiety-like behavior, ΝΑΒ) ή σε αρσενικά ΗΑΒ ποντικια υποδεικνύοντας πως οι συμπεριφορικές επιπτώσεις του χρονικού διατροφικού περιορισμού εξαρτώνται από το γενετικό υπόβαθρο και το φύλο. Το LFA επηρέασε έντονα το πρωτεομικό προφίλ του υποθαλάμου και του ιπποκάμπου ενώ είχε μικρή επίπτωση σε αυτό του ιπποκάμπου στα θηλυκά ΗΑΒ ποντίκια. Ενδιαφέρον είχε και το γεγονός ότι οι επαγόμενες από το LFA αλλαγές στη συμπεριφορά και τον υποθάλαμο επανήλθαν στα επίπεδα των control ΗΑΒ θηλυκών μετά από την επαναφορά των LFA θηλυκών ΗΑΒ ποντικιών για μια εβδομάδα σε απεριόριστη πρόσβαση (ad libitum) στην τροφή. Συνολικά, η δουλειά αυτή δείχνει πως παρεμβάσεις του σύγχρονου τρόπου ζωής αλλάζουν τη συμπεριφορά και επαναπρογραμματίζουν τα μιτοχονδριακά μονοπάτια του εγκεφάλου σε πληθυσμούς ποντικών υψηλού άγχους και ανοίγει το δρόμο για την ανίχνευση πιθανών βιοδεικτών για νέους θεραπευτικούς στόχους συγκεκριμένα σε πληθυσμούς υψηλού άγχους που είναι ευάλωτοι στο στρες.